JP2018001266A - フラックスフリーろう付用のブレージングシート、フラックスフリーろう付方法および熱交換器のフラックスフリーろう付方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】フラックスフリーで、アルミニウム部材を良好な接合状態でろう付することができるブレージングシートとろう付方法を提供する。
【解決手段】芯材の片面または両面に、質量％で、４〜１２％Ｓｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金からなる最表面ろう材層と、質量％で、１％以上４％未満のＳｉおよび０．１〜５．０％のＭｇを含有するＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金からなる中間ろう材層がクラッドされていることを特徴とするフラックスフリーろう付用のブレージングシートであって、前記ブレージングシートを用いて酸素濃度３００ｐｐｍ以下の常圧下非酸化性ガス雰囲気中で、フラックスを用いることなくアルミニウム部材同士の接合を行う。
【選択図】図１
【解決手段】芯材の片面または両面に、質量％で、４〜１２％Ｓｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金からなる最表面ろう材層と、質量％で、１％以上４％未満のＳｉおよび０．１〜５．０％のＭｇを含有するＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金からなる中間ろう材層がクラッドされていることを特徴とするフラックスフリーろう付用のブレージングシートであって、前記ブレージングシートを用いて酸素濃度３００ｐｐｍ以下の常圧下非酸化性ガス雰囲気中で、フラックスを用いることなくアルミニウム部材同士の接合を行う。
【選択図】図１
Description
この発明は、フラックスフリーでアルミニウム合金部材のろう付に用いられるフラックスフリーろう付用のブレージングシート、フラックスフリーろう付方法および熱交換器のフラックスフリーろう付方法に関するものである。
自動車用熱交換器をはじめとしたろう付分野において、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金ろう材を用いたフラックスフリーの工法が提案されている。Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金ろう材を用いるフラックスフリーろう付では、溶融して活性となったろう材中のＭｇが接合部表面のＡｌ酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３）を還元分解することで接合が可能となる。閉塞的な面接合継手などでは、Ｍｇによる酸化皮膜の分解作用により、ろう材を有するブレージングシートを組合せた継手や、ブレージングシートとろう材を有さない被接合部材（ベア材）を組合せた継手で良好な接合状態が得られる。
しかし、雰囲気の影響を受け易い開放部を有する継手形状では、Ｍｇ添加ろう材の表面でＭｇＯ皮膜が成長し易くなるが、ＭｇＯ皮膜は分解され難い安定な酸化皮膜であるため接合が著しく阻害される。このことから、開放部を有する継手で安定した接合状態が得られるフラックスフリーろう付方法が強く望まれている。
しかし、雰囲気の影響を受け易い開放部を有する継手形状では、Ｍｇ添加ろう材の表面でＭｇＯ皮膜が成長し易くなるが、ＭｇＯ皮膜は分解され難い安定な酸化皮膜であるため接合が著しく阻害される。このことから、開放部を有する継手で安定した接合状態が得られるフラックスフリーろう付方法が強く望まれている。
上記課題に対し、ろう材表面でＭｇＯ皮膜が成長することを抑制するため、最表面層をＭｇ無添加合金とし、中間層にＭｇを添加したろう材を適用することで接合状態が改善する技術が提案されている（特許文献１参照）。
しかし、特許文献１で提案されている技術では、中間層はＭｇ添加により最表面層よりも固相線温度が低くなるため、ろう付昇温過程では最表面層よりも早く液相ろうが生成し、さらに、Ｓｉ添加量が多くなるほど液相量（液相の割合）が多くなる。最表面層が溶融する前に溶け出した中間層ろう材は、材料端部などから流出し、接合部に流入する有効な流動ろうとして機能しなくなる課題がある。
発明者らは、ろう付昇温過程での中間層と最表面層の液相ろうの生成量に着目し、合金組成を最適化することで上記課題を克服した。
すなわち、本発明のフラックスフリーろう付用のブレージングシートのうち、第１の形態は、芯材の片面または両面に、質量％で、４〜１２％Ｓｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金からなる最表面ろう材層と、質量％で、１％以上４％未満のＳｉおよび０．１〜５．０％のＭｇを含有するＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金からなる中間ろう材層がクラッドされていることを特徴とする。
他の形態のフラックスフリーろう付用のブレージングシートの発明は、前記形態の本発明において、前記最表面ろう材層と中間ろう材層のクラッド率が、ブレージングシート全厚みに対して片面当りそれぞれ１〜３０％であることを特徴とする。
他の形態のフラックスフリーろう付用のブレージングシートの発明は、前記形態の本発明において、前記中間ろう材層のろう材に、質量％で、０．０１〜０．５％のＢｉを含有することを特徴とする。
他の形態のフラックスフリーろう付用のブレージングシートの発明は、前記形態の本発明において、前記最表面ろう材層のろう材に、質量％で、０．０１〜０．５％のＢｉを含有することを特徴とする。
他の形態のフラックスフリーろう付用のブレージングシートの発明は、前記形態の本発明において、前記最表面ろう材層に含まれるＳｉ粒子が、表層面方向の観察において、円相当径で０．８μｍ以上の径をもつものの数の内、１．７５μｍ以上の径のものの数の割合が２５％以上であることを特徴とする。
他の形態のフラックスフリーろう付用のブレージングシートの発明は、前記形態の本発明において、前記中間層ろう材層に含まれるＳｉ粒子が、ろう材層の断面観察において、円相当径０．２５μｍ以上のＳｉ粒子が１ｍｍ２当たり１００，０００個未満であることを特徴とする。
本発明のアルミニウム部材のフラックスフリーろう付方法は、前記形態のフラックスフリーろう付用ブレージングシートを用いて、酸素濃度３００ｐｐｍ以下の非酸化性ガス雰囲気中で、フラックスを用いることなくアルミニウム部材同士の接合を行うことを特徴とする。
本発明による熱交換器のフラックスフリーろう付方法は、前記形態のフラックスフリーろう付用ブレージングシートを用いて、酸素濃度３００ｐｐｍ以下の非酸化性ガス雰囲気中で、フラックスを用いることなくアルミニウム部材同士の接合を行うことを特徴とする。
次に、本願発明で規定する内容について説明する。なお、成分の説明における含有量はいずれも質量％で示される。
最表面ろう材層ろう材組成
Ｓｉ：４〜１２％
最表面ろう材層では、ろう付時にＳｉによって溶融ろうを形成し、接合部のフィレットを形成する。Ｓｉ含有量は不足すると、フィレットを形成するための溶融ろうが不足する。また、中間層からのＭｇの拡散が遅れ、十分な接合が得られない。一方、Ｓｉ含有量が過剰になると、効果が飽和する。また、材料が硬く脆くなるため、素材製造が困難になる。
これらのため、最表面ろう材層のろう材では、Ｓｉ含有量を４〜１２％とする。また、同様の理由でＳｉ含有量の下限を６％、上限を１１％とするのがさらに望ましい。
Ｓｉ：４〜１２％
最表面ろう材層では、ろう付時にＳｉによって溶融ろうを形成し、接合部のフィレットを形成する。Ｓｉ含有量は不足すると、フィレットを形成するための溶融ろうが不足する。また、中間層からのＭｇの拡散が遅れ、十分な接合が得られない。一方、Ｓｉ含有量が過剰になると、効果が飽和する。また、材料が硬く脆くなるため、素材製造が困難になる。
これらのため、最表面ろう材層のろう材では、Ｓｉ含有量を４〜１２％とする。また、同様の理由でＳｉ含有量の下限を６％、上限を１１％とするのがさらに望ましい。
Ｂｉ：０．０１〜０．５％
Ｂｉは、ろう付昇温過程で材料表面に濃縮し、緻密な酸化皮膜の成長を抑制するので所望により含有する。Ｂｉの含有量が不足すると効果が不十分であり、Ｂｉを過剰に含有すると、効果が飽和する。これらのため、Ｂｉの含有量を０．０１〜０．５％とするのが望ましい。また、同様の理由で、Ｂｉの下限を０．０２％とし、上限を０．２％とするのが望ましい。
Ｂｉは、ろう付昇温過程で材料表面に濃縮し、緻密な酸化皮膜の成長を抑制するので所望により含有する。Ｂｉの含有量が不足すると効果が不十分であり、Ｂｉを過剰に含有すると、効果が飽和する。これらのため、Ｂｉの含有量を０．０１〜０．５％とするのが望ましい。また、同様の理由で、Ｂｉの下限を０．０２％とし、上限を０．２％とするのが望ましい。
中間ろう材層ろう材組成
Ｓｉ：１％以上４％未満
Ｓｉは、ろう付時に中間層中に液相を生成し、中間層に添加されたＭｇの最表面層への拡散を促進する。Ｓｉ含有量が不足すると効果が不十分であり、Ｓｉを過剰に含有すると、過剰な液相が材料端部などから流出し、中間層中のＭｇが消耗するため、十分な接合状態が得られなくなる。
これらの点でＳｉ含有量を１％以上４％未満とする。
なお、同様の理由で、Ｓｉ含有量の下限を１．５％、上限を３％とするのが望ましい。
Ｓｉ：１％以上４％未満
Ｓｉは、ろう付時に中間層中に液相を生成し、中間層に添加されたＭｇの最表面層への拡散を促進する。Ｓｉ含有量が不足すると効果が不十分であり、Ｓｉを過剰に含有すると、過剰な液相が材料端部などから流出し、中間層中のＭｇが消耗するため、十分な接合状態が得られなくなる。
これらの点でＳｉ含有量を１％以上４％未満とする。
なお、同様の理由で、Ｓｉ含有量の下限を１．５％、上限を３％とするのが望ましい。
Ｍｇ：０．１〜５．０％
Ｍｇは、Ａｌ酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３）を還元分解する。ただし、Ｍｇ含有量が不足すると、効果が不十分であり、Ｍｇ含有量が過剰になると、効果が飽和するとともに、材料が硬く脆くなるため、素材製造が困難になる。これらのため、Ｍｇ含有量は、０．１〜５．０％とする。なお、同様の理由で、下限を０．３％、上限を３．０％とするのが望ましく、さらに、下限を０．８％、上限を２．５％とするのがより望ましい。
Ｍｇは、Ａｌ酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３）を還元分解する。ただし、Ｍｇ含有量が不足すると、効果が不十分であり、Ｍｇ含有量が過剰になると、効果が飽和するとともに、材料が硬く脆くなるため、素材製造が困難になる。これらのため、Ｍｇ含有量は、０．１〜５．０％とする。なお、同様の理由で、下限を０．３％、上限を３．０％とするのが望ましく、さらに、下限を０．８％、上限を２．５％とするのがより望ましい。
Ｂｉ：０．０１〜０．５％
Ｂｉは、ろう付昇温過程で材料表面に濃縮し、緻密な酸化皮膜の成長を抑制するので所望により含有させる。Ｂｉ含有量が不足すると効果が不十分であり、Ｂｉ含有量が過剰になると効果が飽和する。これらのため、Ｂｉ含有量は０．０１〜０．５％とするのが望ましい。なお、同様の理由で下限を０．０２％、上限を０．２％とするのが望ましい。
Ｂｉは、ろう付昇温過程で材料表面に濃縮し、緻密な酸化皮膜の成長を抑制するので所望により含有させる。Ｂｉ含有量が不足すると効果が不十分であり、Ｂｉ含有量が過剰になると効果が飽和する。これらのため、Ｂｉ含有量は０．０１〜０．５％とするのが望ましい。なお、同様の理由で下限を０．０２％、上限を０．２％とするのが望ましい。
ろう材クラッド率：１〜３０％
最表面ろう材層と中間ろう材層のクラッド率をブレージングシート全厚みに対して片面当りそれぞれ１〜３０％とするのが望ましい。クラッド率が小さすぎると熱延によるクラッド貼合わせ時に長手方向のクラッド率がばらつき易くなり、クラッド率が大きすぎるとクラッド貼合わせでクラッド界面の接合状態が不安定になり十分な製造品質が確保できない問題がある。また、ろう付後製品の構造強度や寸法精度を確保するため、芯材のクラッド率は５０％以上を確保することが望ましい。
最表面ろう材層と中間ろう材層のクラッド率をブレージングシート全厚みに対して片面当りそれぞれ１〜３０％とするのが望ましい。クラッド率が小さすぎると熱延によるクラッド貼合わせ時に長手方向のクラッド率がばらつき易くなり、クラッド率が大きすぎるとクラッド貼合わせでクラッド界面の接合状態が不安定になり十分な製造品質が確保できない問題がある。また、ろう付後製品の構造強度や寸法精度を確保するため、芯材のクラッド率は５０％以上を確保することが望ましい。
そして、本発明を実施するにあたっては、最表面層ろう材表面に比較的粗大なＳｉ粒子が存在していることが好ましい。通常、アルミニウム材料表面には緻密なＡｌ２Ｏ３等の酸化皮膜が存在し、ろう付け熱処理過程ではこれがさらに成長し厚膜となる。酸化皮膜の厚みが増すほど、酸化皮膜の破壊作用を阻害する傾向が強くなるのが一般的な見解である。本発明では、最表面層ろう材表面に粗大なＳｉ粒子が存在することで、粗大Ｓｉ粒子表面にはアルミニウムの緻密な酸化皮膜が成長せず、この部位がアルミニウム材料表面の酸化皮膜欠陥として働く。すなわち、アルミニウム材料表面の酸化皮膜がろう付け熱処理中に厚膜となっても、Ｓｉ粒子部分からろう材の染み出し等が発生し、この部位を起点に酸化皮膜破壊作用が進んでいくものと考えられる。ここで言うＳｉ粒子とは、組成上Ｓｉ単体成分によるＳｉ粒子、及び、例えば、Ｆｅ−Ｓｉ系化合物や、Ｆｅ−Ｓｉを主成分とするＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系の金属間化合物等をも含むものとする。本発明の説明においては、これらを便宜的にＳｉ粒子と表記する。具体的には、ろう材表面のＳｉ粒子を円相当径でみなし、０．８μｍ以上のＳｉ粒子数をカウントした場合に、１．７５μｍ以上のものの数の割合が２５％以上存在すると、この効果が十分に得られる。本発明においてＳｉ粒子の密度には言及していないが、本発明で用いる合金組成と製造条件範囲、及び材料の仕上げ板厚寸法によって、１００００μｍ２視野における０．８μｍ以上のＳｉ粒子数は数十〜数千個の範囲に及ぶと考えられ、その規定は難しいことから、本発明においては、このＳｉ粒子数範囲で、１．７５μｍ径以上のものの数の割合が２５％以上存在すれば、効果を得られることを確認し上記規定を望ましいものとした。
さらに、本発明を実施するにあたっては、中間層ろう材中のＳｉ粒子が細かく分散している状態が好ましい。本発明では、ろう付昇温過程でＭｇを添加した中間層ろう材が固相線温度に達すると、Ｍｇ２Ｓｉ粒子などを起点に溶融が始まり、最表面ろう材層にＭｇの拡散が進み易くなるが、中間層ろう材中のＳｉ粒子が粗大で粗に分布していると、最表面ろう材へのＭｇの拡散が不均一となるため、最表面ろう材表面でのＭｇによる酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３等）の分解作用も不均一となり接合状態が不安定となる。ここで言うＳｉ粒子とは、組成上Ｓｉ単体成分によるＳｉ粒子、及び、例えば、Ｍｇ２Ｓｉ化合物等の金属間化合物も含むものとする。本発明の説明においては、これらを便宜的にＳｉ粒子と表記する。具体的には、中間層ろう材断面から見たＳｉ粒子を円相当径でみなし、０．２５μｍ以上のＳｉ粒子が１ｍｍ２当たり１００，０００個未満とすることにより効果が得られる。Ｓｉ粒子は、上記を満たす範囲で粒子径がより細かく密に分散していることが望ましい。なお、Ｓｉ粒子を細かくする手段としては、鋳造時の超音波印加や凝固速度制御（０．１〜５００℃／ｓｅｃ）、焼鈍時の温度条件により調整することや、ろう材中Ｓｉ粒子の微細化効果があるＳｒなどを添加することが挙げられるが、その方法が限定されるものではない。
酸素濃度３００ｐｐｍ以下の非酸化性ガス雰囲気
上記ブレージングシートは、酸素濃度３００ｐｐｍ以下の非酸化性ガス雰囲気において、フラックスフリーでろう付を行うことができる。
ろう付炉内雰囲気の圧力は常圧を基本とするが、例えば、製品内部のガス置換効率を向上させるためにろう材溶融前の温度域で１００ｋＰａ〜０．１Ｐａ程度の中低真空とすることや、炉内への外気（大気）混入を抑制するために大気圧よりも５〜１００Ｐａ程度陽圧としてもよい。
非酸化性ガス雰囲気としては、窒素ガス、或いは還元性ガスもしくはこれらの混合ガスが挙げられる。使用する置換ガスの種類としては、アルミニウム材の接合を得るにあたり特に限定されるものではないが、コストの観点より、窒素ガス、不活性ガスとしてはアルゴン、還元性ガスとしては水素、アンモニアを用いることが好適である。雰囲気中の酸素濃度管理範囲としては、３００ｐｐｍ以下が望ましい。３００ｐｐｍ超では被ろう付部材の再酸化が進みやすくなる。なお、さらに１００ｐｐｍ以下とするのが一層望ましい。
上記ブレージングシートは、酸素濃度３００ｐｐｍ以下の非酸化性ガス雰囲気において、フラックスフリーでろう付を行うことができる。
ろう付炉内雰囲気の圧力は常圧を基本とするが、例えば、製品内部のガス置換効率を向上させるためにろう材溶融前の温度域で１００ｋＰａ〜０．１Ｐａ程度の中低真空とすることや、炉内への外気（大気）混入を抑制するために大気圧よりも５〜１００Ｐａ程度陽圧としてもよい。
非酸化性ガス雰囲気としては、窒素ガス、或いは還元性ガスもしくはこれらの混合ガスが挙げられる。使用する置換ガスの種類としては、アルミニウム材の接合を得るにあたり特に限定されるものではないが、コストの観点より、窒素ガス、不活性ガスとしてはアルゴン、還元性ガスとしては水素、アンモニアを用いることが好適である。雰囲気中の酸素濃度管理範囲としては、３００ｐｐｍ以下が望ましい。３００ｐｐｍ超では被ろう付部材の再酸化が進みやすくなる。なお、さらに１００ｐｐｍ以下とするのが一層望ましい。
すなわち、本発明によれば、最表面をＭｇ無添加ろう材とし、中間層を低液相率のＭｇ添加ろう材とすることで、ろう付昇温過程の材料表面でのＭｇＯ皮膜成長を抑制しつつ、ろう材溶融時には、Ａｌ酸化皮膜（Ａｌ２Ｏ３）を分解するＭｇを効率的に材料表面に供給することができるため、接合部表面で溶融ろう材が濡れ拡がり易くなり、開放部を有する継手においても良好な接合状態が得られる。中間層はＭｇを添加することで最表面層よりも低い温度から溶融するため、中間層のＳｉ量が多く液相率が高いと材料端部から流出して材料表面に作用するＭｇ量が減少したり、内部から最表面層を浸食して早い段階で材料表面に染み出すことで材料表面にＭｇＯ皮膜を形成し接合を阻害したりするが、本発明では中間層のＳｉ量を少なくし液相率を低くしているため、前記不具合を生じないという特徴がある。
本発明により特別な低酸素濃度管理を行わなくても開放部を有する継手で良好な接合状態が得られるため、ラジエータ、コンデンサ、エバポレータ、ヒータコア、インタークーラなどのアウターフィンやチューブ根付部において従来ろう付方法と同等以上の接合部強度や耐久性が確保される。また、中間層のＳｉ量を制限し余剰な溶融ろうの流出を防ぐことで、緻密な内部構造を有するオイルクーラやインバータ冷却器、あるいは、エバポレータやコンデンサなどのチューブ内側流路においては、ろう材による内部流路の詰りを発生することなく、設計通りの冷却性能が発揮される。
また、上記実施形態では、本発明の適用用途として自動車用熱交換器について説明したが、本発明の用途がこれに限定されるものではない。
また、上記実施形態では、本発明の適用用途として自動車用熱交換器について説明したが、本発明の用途がこれに限定されるものではない。
以下に、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
ろう材用アルミニウム合金のうち、最表面層用のものとして、質量％で、Ｓｉ：４〜１２％を含有し、所望により、Ｂｉ：０．０１〜０．５％を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなる組成に調製し、中間層用のものとして、質量％で、Ｓｉ：１％以上４％未満、Ｍｇ：０．１〜５．０％を含有し、所望により、Ｂｉ：０．０１〜０．５％を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなる組成に調製する。また、ろう材用アルミニウム合金としては、その他に、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｂｅなどをろう材として既知の量で含有してもよい。
また、芯材用アルミニウム合金として、質量％で、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｓｉ：０．１〜１．２％、Ｃｕ：０．１〜３．０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成に調製する。芯材用アルミニウム合金には、その他に、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｂｉなどを既知の量で含有してもよい。
本発明としては、芯材用アルミニウム合金の組成は特に限定されるものではないが、Ｍｇ２Ｓｉなどを微細析出させることで材料の大幅な高強度化が図れるため、ＭｇとＳｉを積極添加した合金を好適に用いることができる。従来のフッ化物系フラックスを用いるろう付方法は、フラックスがＭｇと反応して高融点のフッ化Ｍｇを生成し不活性化するためろう付性が低下することや、この反応によりＭｇを消費するため高強度Ｍｇ添加合金に適用することが難しかったが、フラックスフリーろう付では高強度Ｍｇ添加合金が利用可能となる。
なお、Ｚｎが添加されたアルミニウム合金を犠牲防食層として何れかのクラッド層間、または、ろう材がクラッドされていない芯材表面にクラッドしてもよい。
これらの合金に対し、熱間圧延、冷間圧延を行って芯材の一方または両方の面に、中間ろう材層と最表面ろう材層が重ね合わされて接合されたクラッド材を得る。
ろう材用アルミニウム合金のうち、最表面層用のものとして、質量％で、Ｓｉ：４〜１２％を含有し、所望により、Ｂｉ：０．０１〜０．５％を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなる組成に調製し、中間層用のものとして、質量％で、Ｓｉ：１％以上４％未満、Ｍｇ：０．１〜５．０％を含有し、所望により、Ｂｉ：０．０１〜０．５％を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなる組成に調製する。また、ろう材用アルミニウム合金としては、その他に、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｂｅなどをろう材として既知の量で含有してもよい。
また、芯材用アルミニウム合金として、質量％で、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｓｉ：０．１〜１．２％、Ｃｕ：０．１〜３．０％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成に調製する。芯材用アルミニウム合金には、その他に、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｂｉなどを既知の量で含有してもよい。
本発明としては、芯材用アルミニウム合金の組成は特に限定されるものではないが、Ｍｇ２Ｓｉなどを微細析出させることで材料の大幅な高強度化が図れるため、ＭｇとＳｉを積極添加した合金を好適に用いることができる。従来のフッ化物系フラックスを用いるろう付方法は、フラックスがＭｇと反応して高融点のフッ化Ｍｇを生成し不活性化するためろう付性が低下することや、この反応によりＭｇを消費するため高強度Ｍｇ添加合金に適用することが難しかったが、フラックスフリーろう付では高強度Ｍｇ添加合金が利用可能となる。
なお、Ｚｎが添加されたアルミニウム合金を犠牲防食層として何れかのクラッド層間、または、ろう材がクラッドされていない芯材表面にクラッドしてもよい。
これらの合金に対し、熱間圧延、冷間圧延を行って芯材の一方または両方の面に、中間ろう材層と最表面ろう材層が重ね合わされて接合されたクラッド材を得る。
上記工程を経ることにより、図１に示すように、アルミニウム合金芯材２の両面にアルミニウム合金ろう材３がクラッドされた熱交換器用のブレージングシート１が得られる。アルミニウム合金芯材２は、本発明のアルミニウム合金部材に相当する。アルミニウム合金ろう材３は、中間ろう材層３ａと最表面ろう材層３ｂとからなる。
なお、各中間ろう材層３ａ、最表面ろう材層３ｂは、ブレージングシート１全厚に対し、１〜３０％の厚さを有している。
ブレージングシート１は、熱交換器のチューブ、ヘッダ、タンク、アウターフィン、インナーフィンなどとして用いることができる。
一方、ろう付対象部材として、例えば、質量％で、Ｍｇ：０．１〜０．８％、Ｓｉ：０．１〜１．２％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなるアルミニウム合金を調製し、適宜形状に加工される。ろう付対象部材は、本発明のアルミニウム部材に相当する。なお、ろう付対象部材の組成は本発明としては特に限定されるものではなく、適宜組成のものを用いることができる。
なお、各中間ろう材層３ａ、最表面ろう材層３ｂは、ブレージングシート１全厚に対し、１〜３０％の厚さを有している。
ブレージングシート１は、熱交換器のチューブ、ヘッダ、タンク、アウターフィン、インナーフィンなどとして用いることができる。
一方、ろう付対象部材として、例えば、質量％で、Ｍｇ：０．１〜０．８％、Ｓｉ：０．１〜１．２％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなるアルミニウム合金を調製し、適宜形状に加工される。ろう付対象部材は、本発明のアルミニウム部材に相当する。なお、ろう付対象部材の組成は本発明としては特に限定されるものではなく、適宜組成のものを用いることができる。
上記ブレージングシート１は、上記最表面ろう材層３ｂが最表面に位置しており、表面酸化皮膜の平均膜厚が１５ｎｍ以下で、前記表面酸化皮膜中におけるＭｇＯ皮膜の平均膜厚が２ｎｍ以下に調整されているのが望ましい。
また、ろう付対象部材は、少なくとも接合面において表面酸化皮膜の平均膜厚が１
５ｎｍ以下かつ皮膜中のＭｇＯ皮膜厚さが２ｎｍ以下に調整されているのが望ましい。
上記表面酸化皮膜は、鋳造後の均質化、熱間圧延前の均熱、冷間圧延後の焼鈍等、各種熱処理時の温度と時間によって調整することができる。
また、ろう付対象部材は、少なくとも接合面において表面酸化皮膜の平均膜厚が１
５ｎｍ以下かつ皮膜中のＭｇＯ皮膜厚さが２ｎｍ以下に調整されているのが望ましい。
上記表面酸化皮膜は、鋳造後の均質化、熱間圧延前の均熱、冷間圧延後の焼鈍等、各種熱処理時の温度と時間によって調整することができる。
上記ブレージングシート１とろう付対象部材とは、フラックスフリーで、アルミニウム合金芯材２とろう付対象部材との間に、中間ろう材層３ａと、最表面ろう材層３ｂが介在するように配置する。これらを組み付けてろう付用アルミニウム合金組み付け体とする。したがって、ブレージングシート１は、本発明のフラックスフリーろう付用のブレージングシートに相当する。
上記組み付け体は、常圧下の非酸化性雰囲気とされた加熱炉内に配置される。非酸化性ガスには窒素ガス、あるいは、アルゴンなどの不活性ガス、または、水素、アンモニアなどの還元性ガス、あるいはこれらの混合ガスを用いて構成することができる。ろう付炉内雰囲気の圧力は常圧を基本とするが、例えば、製品内部のガス置換効率を向上させるためにろう材溶融前の温度域で１００ｋＰａ〜０．１Ｐａ程度の中低真空とすることや、炉内への外気（大気）混入を抑制するために大気圧よりも５〜１００Ｐａ程度陽圧としてもよい。加熱炉は密閉した空間を有することを必要とせず、ろう付材の搬入口、搬出口を有するトンネル型であってもよい。このような加熱炉でも、不活性ガスを炉内に吹き出し続けることで非酸化性が維持される。該非酸化性雰囲気としては、酸素濃度として体積比で３００ｐｐｍ以下が望ましい。
上記雰囲気下で、例えば、昇温速度１０〜２００℃／ｍｉｎで加熱して、組み付け体の到達温度が５８０〜６２０℃となる熱処理条件にてろう付接合を行う。
ろう付条件において、昇温速度が速くなるほどろう付時間が短くなるため、材料表面の酸化皮膜成長が抑制されてろう付性が向上する。到達温度は少なくともろう材の固相線温度以上とすればろう付可能であるが、液相線温度に近づけることで流動ろう材が増加し、開放部を有する継手で良好な接合状態が得られ易くなる。ただし、あまり高温にするとろう浸食が進み易く、ろう付後の組付け体の構造寸法精度が低下するため好ましくない。
ろう付条件において、昇温速度が速くなるほどろう付時間が短くなるため、材料表面の酸化皮膜成長が抑制されてろう付性が向上する。到達温度は少なくともろう材の固相線温度以上とすればろう付可能であるが、液相線温度に近づけることで流動ろう材が増加し、開放部を有する継手で良好な接合状態が得られ易くなる。ただし、あまり高温にするとろう浸食が進み易く、ろう付後の組付け体の構造寸法精度が低下するため好ましくない。
図２は、上記ブレージングシート１を用いてフィン５を形成し、ろう付け対象材としてアルミニウム合金製のチューブ６を用いたアルミニウム製自動車用熱交換器４を示している。フィン５、チューブ６を、補強材７、ヘッダプレート８と組み込んで、フラックスフリーろう付けによってアルミニウム製自動車用熱交換器４を得ている。
表１、表２に示す組成（残部Ａｌと不可避不純物）のろう材と、ＪＩＳＡ３００３の芯材とをクラッドしたアルミニウム材を用意した。
アルミニウムクラッド材は、各種組成ろう材をクラッド率５％とし、Ｈ１４相当調質の０．２５ｍｍ厚に仕上げた。また、ろう付対象部材としてＪＩＳＡ３００５合金、Ｈ１４のアルミニウムベア材（０．１ｍｍ厚）のコルゲートフィン１１を用意した。
アルミニウムクラッド材は、各種組成ろう材をクラッド率５％とし、Ｈ１４相当調質の０．２５ｍｍ厚に仕上げた。また、ろう付対象部材としてＪＩＳＡ３００５合金、Ｈ１４のアルミニウムベア材（０．１ｍｍ厚）のコルゲートフィン１１を用意した。
前記アルミニウムクラッド材を用いて幅２０ｍｍのチューブ１２を製作し、該チューブ１２とコルゲートフィン１１とを組み合わせ、ろう付評価モデルとして図３（ａ）に示すようなチューブ１５段、長さ３００ｍｍのコア１０とした。前記コアを、窒素雰囲気中（酸素含有量８０ｐｐｍ）のろう付炉にて、６００℃まで加熱し、そのろう付状態を評価した。
○ろう付性
・接合率
以下式にて接合率を求め、各試料間の優劣を評価した。
フィン接合率＝（フィンとチューブの総ろう付長さ／フィンとチューブの総接触長さ）×１００
判定は以下の基準によって行い、その結果を表３、４に示した。
ろう付後のフィン接合率 ◎：９８％以上、○：９０％以上９８％未満、△：８０％以上９０％未満、×：８０％未満
・接合率
以下式にて接合率を求め、各試料間の優劣を評価した。
フィン接合率＝（フィンとチューブの総ろう付長さ／フィンとチューブの総接触長さ）×１００
判定は以下の基準によって行い、その結果を表３、４に示した。
ろう付後のフィン接合率 ◎：９８％以上、○：９０％以上９８％未満、△：８０％以上９０％未満、×：８０％未満
・接合部幅評価
ろう付接合状態は上記接合率のみではなく、本発明の目的であるフィレット形成能の向上を確認するため、図３（ｂ）に示したような接合部１３の幅Ｗを各試料で２０点計測し、その平均値をもって優劣を評価した。判定は以下の基準とし、表３、４に示した。
◎：０．８ｍｍ以上、○：０．７ｍｍ以上０．８ｍｍ未満、△：０．６ｍｍ以上０．７ｍｍ未満、×：０．６ｍｍ未満
実施例の何れも良好なろう付性を示したのに対し、比較例では十分な接合が得られなかった。
ろう付接合状態は上記接合率のみではなく、本発明の目的であるフィレット形成能の向上を確認するため、図３（ｂ）に示したような接合部１３の幅Ｗを各試料で２０点計測し、その平均値をもって優劣を評価した。判定は以下の基準とし、表３、４に示した。
◎：０．８ｍｍ以上、○：０．７ｍｍ以上０．８ｍｍ未満、△：０．６ｍｍ以上０．７ｍｍ未満、×：０．６ｍｍ未満
実施例の何れも良好なろう付性を示したのに対し、比較例では十分な接合が得られなかった。
以上、本発明について、上記実施形態および実施例に基づいて説明を行ったが、本発明は上記実施形態および実施例の内容に限定されるものではなく、本願発明を逸脱しない限りは、上記実施形態および実施例の内容を適宜変更することができる。
本発明を用いることで自動車用熱交換器のほか、鉄道車両、航空機、インバータやＣＰＵなどの電子部品、各種プラント、産業や家電空調などに用いられるアルミニウム製の熱交換器、冷却器、ヒートシンク、放熱器などがフラックスを使用することなくろう付接合可能となる。本発明ではフラックスを使用しないため、ろう付後にフラックス残渣による表面品質や表面化成処理性の低下がなく、また、残渣起因のコンタミによる電気素子の不具合を生じない。
１ ブレージングシート
２ アルミニウム合金芯材
３ アルミニウム合金ろう材
３ａ 中間ろう材層
３ｂ 最表面ろう材層
２ アルミニウム合金芯材
３ アルミニウム合金ろう材
３ａ 中間ろう材層
３ｂ 最表面ろう材層
Claims (8)
- 芯材の片面または両面に、質量％で、４〜１２％Ｓｉを含有するＡｌ−Ｓｉ系合金からなる最表面ろう材層と、質量％で、１％以上４％未満のＳｉおよび０．１〜５．０％のＭｇを含有するＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金からなる中間ろう材層がクラッドされていることを特徴とするフラックスフリーろう付用のブレージングシート。
- 前記最表面ろう材層と中間ろう材層のクラッド率が、ブレージングシート全厚みに対して片面当りそれぞれ１〜３０％であることを特徴とする請求項１に記載のフラックスフリーろう付用ブレージングシート。
- 前記中間ろう材層のろう材に、質量％で、０．０１〜０．５％のＢｉを含有することを特徴とする請求項１または２に記載のフラックスフリーろう付用ブレージングシート。
- 前記最表面ろう材層のろう材に、質量％で、０．０１〜０．５％のＢｉを含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のフラックスフリーろう付用ブレージングシート。
- 前記最表面ろう材層に含まれるＳｉ粒子が、表層面方向の観察において、円相当径で０．８μｍ以上の径をもつものの数の内、１．７５μｍ以上の径のものの数の割合が２５％以上であることを特徴とする請求項１〜４に記載のフラックスフリーろう付用ブレージングシート。
- 前記中間層ろう材層に含まれるＳｉ粒子が、ろう材層の断面観察において、円相当径０．２５μｍ以上のＳｉ粒子が１ｍｍ２当たり１００，０００個未満であることを特徴とする請求項１〜５に記載のフラックスフリーろう付用ブレージングシート。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載のフラックスフリーろう付用ブレージングシートを用いて、酸素濃度３００ｐｐｍ以下の非酸化性ガス雰囲気中で、フラックスを用いることなくアルミニウム部材同士の接合を行うことを特徴とするアルミニウム部材のフラックスフリーろう付方法。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載のフラックスフリーろう付用ブレージングシートを用いて、酸素濃度３００ｐｐｍ以下の非酸化性ガス雰囲気中で、フラックスを用いることなくアルミニウム部材同士の接合を行うことを特徴とする熱交換器のフラックスフリーろう付方法。
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